Важнейшей частью инфраструктуры экономического комплекса Крайнего Севера и связующим звеном между российским Дальним Востоком и западными районами страны является Северный морской путь (СМП). Для большинства районов арктической зоны России использование морских судов на СМП в установленных международными морскими конвенциями рамках безопасной эксплуатации, — единственный способ решения проблемы жизнеобеспечения населения этих районов.
На современном этапе экономического развития России начинается активная интеграция СМП в мировую транспортную систему в качестве самостоятельного евроазиатского транспортного коридора. В течение последних 30 лет круглогодичную навигацию в районе Арктики обеспечивает атомный ледокольный флот, являющийся основой надежного функционирования Арктической морской транспортной системы. Цели развития СМП определены Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года [59], основными из них являются:
— транспортное обеспечение освоения арктических береговых и шельфо-вых месторождений углеводородного сырья и морского экспорта нефти и газа;
— развитие потенциальных крупномасштабных экспортных, транзитных и каботажных перевозок и «северного завоза» социально значимых грузовформирование самоокупающейся, приносящей доход Арктической морской транспортной системыразвитие и совершенствование навигационно-гидрографического и гидрометеорологического обеспечения мореплавания, средств связи, поисково-спасательной службыпредотвращение загрязнения морской среды.
Формирование рыночных отношений оказывает положительное влияние на развитие СМП: происходит трансформация звеньев СМП и хозяйствующих субъектов в различные формы собственности. Несмотря на снижение объема грузоперевозок по СМП (с 6,7 до 2,0 млн т), сокращение транспортного флота ледового плавания в арктической инфраструктуре, существующая в настоящее время Арктическая морская транспортная система обеспечивает сократившиеся потребности страны в арктических грузоперевозках. На трассах СМП действуют 10 линейных ледоколов (из них шесть атомных, в том числе атомный ледокол «50 лет Победы», построенный в 2007 году) и более 60 транспортных судов ледовых категорий [55].
Возрождение транспортной инфраструктуры в западном районе Арктики, связанное с морским экспортом нефти и газового конденсата, а также более чем четырехкратное сокращение грузовой базы из-за свертывания производства в восточном районе Арктики определяют современное состояние СМП. В России накоплен уникальный опыт проведения морских операций в Арктике, подготовлены кадры ледовых капитанов, операторов ледокольного флота, полярных гидрографов, ледовых разведчиков и прогнозистов-гидрометеорологов. Несмотря на трудности, с которыми Россия столкнулась в процессе проводимых реформ, сохранена эффективная система специального морского образования.
Правовой основой национальных правил плавания по трассам СМП является Международная конвенция ООН по морскому праву 1982 г. (статья 234 «Покрытые льдом районы»). Согласно этой конвенции прибрежное государство имеет право в пределах исключительной экономической зоны устанавливать в районах, покрытых льдами большую часть года, национальные законы и правила плавания в целях защиты морской среды от загрязнений с судов. В пределах акватории СМП действуют специальные Правила плавания по трассам СМП. В настоящее время эти Правила пересматриваются и будут представлены на утверждение в Правительство РФ. Зона действия этих Правил будет расширена: она будет распространена на покрытые льдом большую часть года районы восточной части Баренцева (Печорское море) и западной части Берингова моря. Печорское море является районом активного судоходства в Арктике, связанного с началом широкомасштабного экспорта нефти из Тимано-Печорского и Приразломного месторождений, общий объем которого составит к 2015 году.
20 млн т в год. В целом объем грузоперевозок по СМП к 2015;2020 годам составит 35—40 млн т в год. С учетом увеличения грузопотока предусматривается развитие всей транспортной инфраструктуры СМП и формирование самоокупающейся, приносящей доходы Арктической морской транспортаюйсистемы [33].
Развитие транспортного флота осуществляется по планам и за счет средств ресурсодобывающих компаний. Государственные средства в виде субсидий направляются на уплату части процентной ставки по кредитам российских банков на строительство судов на российских верфях. До 2020 года ожидается поставка около 60 судов, в том числе 18 танкеров. Для вывоза нефти от терминала Ва-рандей в Печорском море по заказу ОАО «Лукойл» в декабре 2007 года построен головной (в серии из трех) челночный танкер «Василий Динков» дедвейтом 70 тыс. т ледового класса Агсб [53].
Для обслуживания буровой платформы на шельфовом месторождении «Приразломное» в Печорском море по заказу компании «Газпром» к 2010 году будут построены еще два челночных танкера дедвейтом 70 тыс. т ледового класса Агсб. В целях ледокольного обеспечения платформы построены два ледокола-снабженца — «Юрий Топчев» и «Вячеслав Стрижов» мощностью 20 МВт. По заказу компании «Роснефть» начато строительство серии челночных танкеров дедвейтом 30 тыс. т ледового класса Агсб для вывоза нефти и нефтепродуктов из портов Архангельск и Витино на Белом мореголовной танкер «РН Архангельск» был принят в эксплуатацию в 2008 году.
Экономическая эффективность работы танкеров ледовых классов будет существенно повышена при использовании их в режиме челноков. Данный режим предусматривает доставку нефти на рейдовый перегрузочный терминал в порту Мурманск, дальнейшую ее перекачку в танкер-накопитель, а из него — в океанские танкеры дедвейтом 150−300 тыс. т, в которых нефть будет экспортироваться в порты Европы и США. Важнейшей стратегической задачей Арктической морской транспортной системы в течение ближайших 3−5 лет является обеспечение деятельности ОАО «ГМК «Норильский никель» «, что возможно при условии круглогодичной навигации на Дудинском направлении. Для решения указанной проблемы по заказу ОАО «ГМК «Норильский никель» «в 2006 году построен головной (в серии из пяти) контейнеровоз «Норильский никель» дедвейтом 15 тыс. т высшего ледового класса Агс7. Завершить строительство всей серии контейнеровозов планируется до конца 2009 года. Результаты ходовых испытаний головного контейнеровоза показали, что данные контейнеровозы в состоянии при толщине льда до 1,5 м осуществлять самостоятельное безледокольное плавание на линии Дудинка — Мурманск при специальном гидрометеорологическом обеспечении.
Для осуществления завоза в Арктику социально значимых грузов планируется поставка четырех судов-снабженцев водоизмещением 1500—2000 т ледового класса Агс7 в рамках Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010;2015 годы)». Транзитные перевозки по СМП были прекращены в 2001 году. Для восстановления транзита по СМП требуется принятие комплекса мер. По оценке зарубежных экспертов, потенциальный объем транзитных грузов по СМП в восточном направлении составляет 5−6' млн т, в западном — 2−3 млн т. Наблюдаемые в последние годы потепление климата и уменьшение площади ледяного покрова в Арктике позволят в обозримом будущем осуществлять транзит в высоких широтах при легком типе ледовых условий. Вместе с тем существует альтернативное мнение, согласно которому преждевременно говорить о наступлении глобального потепления: на смену легким ледовым условиям могут прийти суровыеизменения климатических и ледовых условий цикличны. Выполненные в связи с этим расчеты стоимости транзитных перевозок контейнеров по СМП между портами Иокогама и Гамбург на контейнеровозах вместимостью 2500 TEU ледового класса Агс7 показывают, что при легком и среднем типе ледовых условий они более предпочтительны по сравнению с транзитом по южному варианту через Суэцкий канал на традиционных контейнеровозах вместимостью 2556 TEU. Продолжительность ходового времени при легком типе ледовых условий на СМП, которые будут иметь место в случае потепления, будет меньше в течение всего года, при среднем типе ледовых условий — в течение 8−9 месяцев. В автономном плавании контейнеровозов вместимостью 2500 TEU ледового класса Агс7 по СМП преимущество в продолжительности ходового времени по сравнению с южным вариантом сокращается при потеплении до 8−9 месяцев и при среднем типе ледовых условий — до 6 месяцев. Себестоимость транспортировки одного контейнера в зимний период навигации на СМП при легком типе ледовых условий в среднем на 25−27% выше, чем по южному пути. При этом в летний период навигации перевозки по СМП по этому показателю в среднем на 33—35% дешевле доставки контейнеров через Суэцкий канал. В автономном плавании контейнеровоза себестоимость перевозки в среднем на 13% ниже себестоимости доставки контейнеров южным путем. Однако при автономном плавании контейнеровоза по СМП невозможно гарантировать своевременность (точно в срок) доставки грузов. Выполненные исследования дают основания сделать оптимистичный вывод о том, что перевозки контейнеров по СМП при прогнозируемом изменении климата могут составить достойную конкуренцию южному варианту через Суэцкий канал и обеспечить в среднем за год меньший уровень затрат [65].
Россия, будучи заинтересованной в развитии международного судоходства по СМП, обеспечивает на СМП выполнение требований стандартов безопасности мореплавания и сохранения окружающей среды, соответствующих международному уровню. Развитие системы безопасности судоходства (средств навигации, гидрографии, гидрометеорологии, поиска и спасания) по мере увеличения объемов бюджетного финансирования к 2020 году будет определяться следующими показателями:
— по навигации:
— совершенствование системы передачи судам информации по безопасности мореплавания путем модернизации спутниковой системы SafetyNET и оборудования береговых станций НАВТЕКС для передачи и автоматического приема на судах навигационных предупреждений, метеосообщений и информации по поиску и спасанию;
— повышение точности судовождения (до ± 10 м) за счет ввода в действие 11 береговых контрольно-корректирующих станций глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/вРЗ [1], обеспечивающих работу систем в дифференциальном режимеподдержание на уровне современности 747 морских навигационных карт, в том числе 194 карт на английском языке, 19 руководств для плавания, включая «Руководство для сквозного плавания по Северному морскому пути» на русском и английском языках, а также лоций на все арктические морясоздание электронных карт на основе коллекции бумажных картпо гидрографии: выполнение площадной съемки устьевых участков рек Енисей, Хатанга, Анабар, Колыма, Лена в объеме 10 ООО км2- выполнение промеров для оперативного обеспечения «северного завоза» грузов морскими судами на лимитирующих участках и вблизи обнаруженных навигационных опасностей на протяжении 60 ООО км;
— поддержание состава гидрографических судов (14 ед.) за счет поставки новых судовпо гидрометеорологии: создание к 2015 году группировки полярно-орбитальных гидрометеорологических спутников (3 ед.) с радиолокационным обзором ледовой обстановкисовершенствование технологии анализа ледовых условий и передачи годовых, сезонных и краткосрочных прогнозов ледовых условий потребителям;
— внедрение на ледоколах судового программного комплекса ДЕКАРТ-АИС-НАВИГАТОР, совмещающего на мониторе компьютера ледовую обстановку с электронной навигационной картой;
— создание 38 автоматизированных гидрометеорологических станций со спутниковым каналом передачи данныхпо поиску и спасанию:
— размещение 12 станций аварийного радионаблюдения в арктических портахразвитие аварийно-спасательной материальной базы в г. Мурманске, Архангельске и Певеке;
— приобретение и переоборудование средств ликвидации разливов нефти для ФГУП «Мурманское БАСУ» и Экспедиционного отряда аварийноспасательных и подводно-технических работ ОАО «Северное морское пароходство» — строительство по одному буксиру-спасателю и по одному морскому водолазному судну для портов Нарьян-Мар и Певек.
Многолетний опыт эксплуатации судов на трассе СМП показывает, что относительная вероятность гибели судов во льдах в 10 раз меньше, чем в открытых водах Мирового океана. Вероятность получения тяжелых водотечных ледовых повреждений корпуса не превышает 2% от количества судов, плавающих по СМП. С таким же уровнем вероятности происходят столкновения судов в прибрежных водах Мирового океана. При этом аварий, связанных с разливом нефти с танкеров ледового класса, за последние 30 лет их эксплуатации не отмечалось.
Атомные и дизельные линейные ледоколы за 50-летний период эксплуатировались на СМП безаварийно. Радиационная обстановка на атомных ледоколах находилась в пределах технических норм. Страхование судов, используемых на СМП, выполняется Российским Пулом взаимного страхования. Данный Пул создан в 1997 году, в его составе действуют 14 ведущих российских страховых компаний. Ответственность Пула защищена договором перестрахования с тремя западными страховыми компаниями. Пул, имея собственную сеть в 600 портах мира, может взять на себя страхование иностранных судов, используемых на СМП. Приведенная выше информация о морских рисках и страховании на СМП является более объективной, чем информация, которая бытует на Западе, и может быть полезной для иностранных судовладельцев, намеревающихся использовать свои суда на СМП.
Обеспечение национальных интересов Российской Федерации в отношении Северного морского пути, централизованное государственное управление этой транспортной системой, ледокольное обслуживание и предоставление равноправного доступа заинтересованным перевозчикам, в том числе иностранным, являются основными принципами, согласно которым осуществляется совершенствование системы управления судоходством на СМП в соответствии с Морской доктриной Российской Федерации.
Решающую роль при обеспечении безопасного судовождения в морских акваториях СМП играет радиолокационная информация, получаемая от конвенционных судовых радиолокационных систем. Однако даже современные судовые радиолокационные станции в критичных условиях плавания, характерных для районов СМП, при наличии прогноза не всегда оказываются способными своевременно и достоверно обнаружить опасные для навигации препятствия, измерить их параметры и обеспечить безопасную проводку судов. Достаточно большое количество навигационных опасностей, в том числе ледовые образования, являются источниками стабильного (во многих случаях — весьма интенсивного) радиотеплового излучения, которое при эксплуатации на судах радиотеплолокаторов позволяет идентифицировать опасности, производить оценку их параметров и осуществлять безопасную проводку судов. Использование радиотеплолокаторов совместно с судовыми радиолокационными станциями при плавании в критичных условиях СМП будет способствовать принятию правильных управленческих решений, которые, отвечая требованиям «хорошей морской практики», позволят обеспечить как безопасность мореплавания, так и безопасную эксплуатацию судна. Таким образом, задачу обеспечения безопасной эксплуатации судна в критичных условиях плавания на СМП за счет внедрения методов обработки теплолокационной информации, способных повысить чувствительность радиотеплолокаторов и позволяющих реализовать комплексирование локационной информации, можно считать актуальной.
Для дальнейшего совершенствования приемов поддержания безопасности навигации как при освоении запасов углеводородного сырья и условиях интенсификации морского транспортного сообщения в акватории Северного Ледовитого океана необходимо расширение информационной поддержки судовождения.
Целью исследования является повышение уровня безопасности мореплавания при плавании судна в критичных условиях радиолокационных наблюдений судовых РЛС за счет внедрения методики обработки теплолокационной информации, направленной на повышение чувствительности навигационных радиотеплолокаторов, и их комплексирования с судовыми радиолокаторами.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
— исследовать возможность применения на судах системы мониторинга радиотеплового излучения навигационных объектов на фоне радиоизлучения окружающей среды и выделить те ее элементы, которые способны достоверно идентифицировать навигационные рискиразработать методы идентификации навигационной информации из принимаемого радиотеплового сигнала и структуру оптимального навигационного радиотеплолокатора в рамках критерия максимального правдоподобия;
— предложить методы обработки теплолокационной информации, направленные на устранение причин, ограничивающих чувствительность радиотепло-локаторов, и оценить эффективность предлагаемых мер с помощью имитационного математического моделирования;
— выработать минимальные требования к техническим параметрам судового радиотеплолокатора, обеспечивающие его соответствие Международной конвенции СОЛАС-74 и национальным требованиям, сформулированным Российским морским регистром судоходстваподтвердить, что при совместном использовании судового навигационного радиолокатора и радиотеплолокатора повышается достоверность локационной информации и снижается риск принятия судоводителем неправильных управленческих решений.
Решение перечисленных выше задач последовательно излагается в главах диссертационной работы и в соответствующем порядке выносится на защиту.
Выводы к четвертой главе.
1. Для предотвращения взаимного воздействия помех радиолокатор и ра-диотеплолокатор должны работать в смежных участках радиочастотного спектра. Такое разнесение позволяет использовать данные, поступающие от радио-теплолокатора, для оценки суммарной мощности помех, действующих на приемник судовой навигационной РЛС.
2. Соответствие эксплуатационных и технических характеристик радиоте-плолокатора международным требованиям, предъявляемым к локационным средствам судна, достигается только при многоканальной структуре приемника устройства. Минимальная чувствительность каждого канала должна обеспечивать возможность выполнения операций, возложенных на радиотеплолокатор, при использовании минимального количества (т. е. двух) каналов устройства. В то же время многоканальная структура приемника радиотеплолокатора гарантирует значительно более высокую надежность устройства по сравнению с навигационной РЛС.
3. Антенная система радиотеплолокатора должна содержать не менее четырех разнесенных элементов, каждый из которых представляет собой фазированную антенную решетку. В этом случае измерение дальности разностно-дальномерным методом можно производить с использованием антенн с небольшими апертурами, что позволяет применять радиотеплолокаторы на малых судах.
4. Максимальная скорость обработки информационных потоков, поступающих от радиотеплолокатора и судовой РЛС, обеспечивается при использовании алгоритма оптимальной динамической фильтрации, инвариантного относительно параметров движения объекта. При этом вектор состояния каждого устройства, входящего в локационный комплекс судна, должен состоять только из параметров, непосредственно ими измеряемых, т. е. дальности до обнаруженного объекта и его углового положения.
5. Реализация алгоритма оптимальной оценки навигационных параметров, инвариантного относительно параметров движения обнаруженного объекта, обеспечивается в том случае, когда исходными данными для вычисления оценок являются значения навигационного параметра, снимаемые с устройства с минимальной погрешностью, и погрешность измерения этого же параметра смежным устройством комплекса.
6. В случае возникновения критических условий локационных наблюдений (данные, предоставляемые радиолокатором и радиотеплолокатором, существенно различаются) оценка данных об объектах на основе предложенного алгоритма оптимальной динамической фильтрации оказывается неэффективной. В этом случае оператор локационного комплекса должен осуществлять локационную прокладку на основе разделения задач обнаружения объектов и измерения их параметровпри этом для обнаружения объектов и измерения их углового положения должен применяться радиотеплолокатор, а измерение дальности до целей должно производиться с использованием радиолокатора.
7. Минимизация возможных ошибок судоводителя при эксплуатации локационного комплекса будет достигаться только в том случае, если в его составе предусмотрена система управления информационными потоками в соответствии с особенностями восприятия информации человеком одновременно от разных источников.
Заключение
.
Как следует из диссертационной работы, объектом исследования являются радиотеплолокатор, соответствующий требованиям Международной конвенции СОЛАС-74 к средствам локации, национальным требованиям, сформулированным Российским морским регистром судоходства, и обеспечивающий безопасность мореплавания в критичных условиях функционирования судовой РЛС, когда информационные возможности радиолокационных средств существенно ограничены.
Предметом исследования является процесс обработки информации в ра-диотеплолокаторе, который комплексирован в судовой навигационный радиотехнический комплекс для информационной поддержки процесса судовождения в условиях малой эффективности радиолокационных средств.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
— разработан алгоритм оптимальной обработки радиотеплового сигнала, исключающий его подавление мощным внутренним шумом приемника радио-теплолокатора;
— предложен метод обработки теплолокационной информации, позволяющий повысить чувствительность радиотеплолокаторов за счет прямого преобразования частоты и предварительной нелинейной обработки радиотеплового сигналасформулированы принципы комплексирования радиолокационной и теплолокационной информации, позволяющие повысить уровень безопасности мореплавания за счет повышения эффективности решения задач обнаружения, идентификации и классификации целей.
Результаты исследований в виде рекомендаций, направленных на повышение потенциала радиотехнического комплекса обеспечения навигации при внедрении на судах радиотеплолокаторов, переданы для практического использования рыболовным компаниям Северного бассейна. Кроме того, эти рекомендации могут быть использованы в учебном процессе при подготовке курсантов по специальности «Судовождение», а также при переподготовке специалистов на факультетах повышения квалификации морских и рыбопромысловых академий.
Основные положения, и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научно-технических конференциях в Мурманском государственном техническом университете (2008;2009 гг., г. Мурманск).
